폐고무 분말을 이용한 TPE 블렌드에 관한 연구(I) : 스크류 조합, 모폴로지, 기계적 물성 A Study on Thermoplastic Elastomer Blend Using Waste Rubber Powder(I): Screw Configurations, Morphologies and Mechanical Properties원문보기
For solving the environmental problem of the waste EPDM and for new TPE blend materials, we developed a new kind of TPE material using a co-rotating twin screw extruder. To improve the mechanical properties of TPE material such as tensile strength, elongation at break, and modulus of the blend, PP a...
For solving the environmental problem of the waste EPDM and for new TPE blend materials, we developed a new kind of TPE material using a co-rotating twin screw extruder. To improve the mechanical properties of TPE material such as tensile strength, elongation at break, and modulus of the blend, PP and waste EPDM powder were blended with different screw configurations. The mechanical properties of the blends and morphology of the TPE were investigated. As the number of kneading disc and left-handed screw element increased, dynamic vulcanization of the material was increased because the shear stress and residence time of blends increased.
For solving the environmental problem of the waste EPDM and for new TPE blend materials, we developed a new kind of TPE material using a co-rotating twin screw extruder. To improve the mechanical properties of TPE material such as tensile strength, elongation at break, and modulus of the blend, PP and waste EPDM powder were blended with different screw configurations. The mechanical properties of the blends and morphology of the TPE were investigated. As the number of kneading disc and left-handed screw element increased, dynamic vulcanization of the material was increased because the shear stress and residence time of blends increased.
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문제 정의
본 실험에서 다섯종류의 스크류 조합 별로 동적 가교에 영향을 주는 체류시간(residence time)의 분포를 조사하였다. 우선 압축기가 가동 중 안정한 상태가 되었을 때 투입구(hopper)에 백색안료(TiO2) 를 넣어 배출구(die)로 나올 때까지의 시간을 timer (SR-41W)로 측정한다.
본 연구에서는 종래의 폐 웨더스트립을 웨더스트립으로 환원하는 기술에서 머무르지 않고 냉각분쇄로 미세하게 분쇄시켜 탈가교된 미세 EPDM 분말을 이축 압출기내에서 적정 스크류 조합과 가공조건으로 폴리프로필렌과 블렌딩하여 압출기 내의 체류 시간 동안 동적가교 (Dynamic Vulcanization) 시켜 열가소성 고무재료의 개발에 목적을 두었다. 동적 가교란 Fig.
1에 나타낸바와 같이 정지상에서 PP 와 EPDM은 불용성이지만 스크류 내에서의 용융상태에서 높은 전단응력을 받아 EPDM과 PP는 상혼 합이 일어나게 된다. 이 이론에서 알 수 있듯 높은 전단응력을 나타낼 수 있는 적정 가공조건과 용융상태 동안 충분한 동적가교가 일어나게 하기 위한 최적의 스크류 조합이 본 연구에서 가장 중요한 인자라 하겠다.5~7
하지만 NE 재료는 다른 고무와 비교해 보았을 때 가격이 비싸다는 단점이 있다. 이런 문제점을 해결하기 위해 폐 EPDM을 미세하게 분쇄하여 이축압출기 내에서 PP와 블렌드시켜 TPE 재료 개발에 관하여 연구하였다. 웨더스트립을 재활용하기 위해 일본에서는 연속공법으로 폐 웨더스트립을 탈가교를 시켜 압출을 통해 재생 웨더스트립을 제조하는 연구가 이루어졌고, 국내에서도 이에 대한 연구가 이루어지고 있다.
제안 방법
5 개의 서로 다른 스크류 조합에 의해 블렌드된 각각의 재료를 사출성형으로 시험 시편으로 제조하여 기계적 물성을 측정하여 그 결과를 고찰하였다. Fig.
에칭의 조건은 138℃ 의 p-xylene용매에 시편을 20분간 담구어 에칭 시켰다.8 에칭 시킨 시편은 JEOL사의 JFC-1100E ion sputtering device를 사용하여 진공상태에서 ioncurrent를 10mA에서 400초간 시편의 표면을 금으로 도금 처리를 하고, 필립스사의 XL 30S SEM (Scanning Electron Microscope) 기기를 사용하여 시편의 모폴로지를 관찰하였다.
Modular intermeshing co-rotating twin screw ex- truder를 통하여 TPE 재료를 각각의 스크류 조합에 따라 압출하여 냉각 후 펠렛화 하였다. 펠렛화된 압출체는 사출기를 사용하여 아령형 1호(ASTM 412)로 제작하였다.
가교밀도를 구하는 방법으로 화학적 방법, 물리적 방법, 연속적 방법이 있는데 본 실험에서는 화학적 방법을 이용하였다.
기본적인 물성의 측정에서 인장 시험은 만능시험기 (LLOYD INSTRUMENTS, LR10K) 을 이용하여 500 mm/min의 인장 속도와 10 kN의 load cell을 사용하여 네 번의 시험을 하여 평균값으로 인장 강도(tensile strength)와 파단신율(elongation at break), 탄성율(modulus)을 구하였다.
스크류 조합에 따른 최종 압출물의 모폴로지 변화를 관찰하기 위해 스크류 조합별로 압출실험을 한 최종압출 시편을 에칭 처리하여 SEM을 통해 관찰하였다. Fig.
화학적인 방법은 팽윤실험에 의해 가교 밀도를 계산하는 방법으로 시편 0.1 〜 0.3 g 을 용매 (n-Heptane)에 48시간 동안 일정시간 담가두어 팽윤시킨 다음 시편을 꺼내어 표면에 존재하는 용매를 제거하여 무게를 측정한 뒤 마지막으로 시편을 60℃의 진공오븐에서 3 시간 동안 de-swelling 시킨 후 무게를 측정한다. 팽윤정도는 팽윤된 겔 상태에서의 고무의 부피분율에 의해 식(1)의 Floiy-Rehner 식을 사용하여 계산되어 진다.
대상 데이터
PP는 대한유화 제품 1088을 사용하였다. 폐 EPDM 분말은 EPDM고무가 주재료인 웨더스트립을 폐자동차로부터 수거하여 동아화성(주)에서 분쇄한 입자크기가 10〜20㎛인 분말을 사용하였다.
본 실험에서 열적 성질은 TGA(DuPont TA2100) 를 이용하여 분석하였으며, Fig. 10에 각 시편의 TGA 곡선을 나타내었다. 스크류 조합 A를 제외한 대부분의 스크류 조합에 의해 제조된 시편의 열적 성질은 400〜500℃에서 폐 EPDM과 PP가 동시에 중량감소가 일어났다.
본 연구에서 사용된 블렌드 방법으로는 바우테크사(BA -19)에서 제작한 직경이 19mm, L/DHO인동방향 이축 압출기를 사용하여 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 다섯 종류의 스크류 조합별로 Table 2 에 나타낸 가공 조건으로 실험을 수행하였다. 그리고 스크류 조합별 구성요소를 Table 3에 나타내었다.
펠렛화된 압출체는 사출기를 사용하여 아령형 1호(ASTM 412)로 제작하였다. 이때 사용된 압출기의 온도 조건은 220〜235℃, 사출압은 2000-2400 psi로 하였다.
PP는 대한유화 제품 1088을 사용하였다. 폐 EPDM 분말은 EPDM고무가 주재료인 웨더스트립을 폐자동차로부터 수거하여 동아화성(주)에서 분쇄한 입자크기가 10〜20㎛인 분말을 사용하였다.
데이터처리
팽윤정도는 팽윤된 겔 상태에서의 고무의 부피분율에 의해 식(1)의 Floiy-Rehner 식을 사용하여 계산되어 진다.9 본 실험에서는 용매-고분 자간의 변수: (χ1)는 0.510.11라 두고 계산하여 상대적인 가교도를 비교하여 보았다.
이론/모형
3 g 을 용매 (n-Heptane)에 48시간 동안 일정시간 담가두어 팽윤시킨 다음 시편을 꺼내어 표면에 존재하는 용매를 제거하여 무게를 측정한 뒤 마지막으로 시편을 60℃의 진공오븐에서 3 시간 동안 de-swelling 시킨 후 무게를 측정한다. 팽윤정도는 팽윤된 겔 상태에서의 고무의 부피분율에 의해 식(1)의 Floiy-Rehner 식을 사용하여 계산되어 진다.9 본 실험에서는 용매-고분 자간의 변수: (χ1)는 0.
성능/효과
7에 나타내었다. 가교도 계산값 또한 체류시간 내에 동적가교가 많이 일어날 수 있는 스크류 조합일 때 높은 가교도 값을 나타내었다
본 실험결과로써 물성적인 면은 현재 상용화되고 있는 TPE 대비 약 60〜70%정도에 미치고 있다. 하지만 현재 상용화되고 있는 TPE 물성의 90~ 95% 정도에 근접하기 위해 여러 실험 조건을 바꾸어 가며 실험을 계속 추진하고 있으며, 머지않아 고가의 TPE 재료를 대체 할만한 새로운 열가소성 재료가 개발될 것으로 기대된다.
우선 TPE 구조에서 중요한 동적가교가 일어나기 위해서는 높은 전단력과 스크류 채널내의 체류시간이 길어야 한다. 본 실험에서 다섯 종류의 스크류 조합으로 실험한 결과 스크류 조합 E의 경우 세부분의 혼련판 구역에서 높은 전단력이 작용하고, 첫 번째와 세 번째의 혼련판 영역 다음에 존재하는 역 스크류 엘리먼트에 의해.재료가 용융상태에서 스크류 채널 내에 체류하는 시간이 길어져 동적가교가 일어날 가능성이 다른 스크류 조합보다 높아졌다.
8은 각 스크류 조합에 따른 압출 후 최종 압출물의 모폴로지를 보여주고 있다. 여기에서 알 수 있듯 스크류 A,C,D 의 경우 혼련판과 역 스크류 엘리먼트가 동시에 존재하지 않기 때문에 TPE 재료 고유의 물성을 나타내기 위한 동적 가교를 일으킬 수 있는 충분한 조건이 되지 못해 PP matrix와 EPDM 입자사이에 상분리가 일어나는 것을 확인 할 수 있었다. Fig.
폐 EPDM과 PP 블렌드를 치합형 동방향 이축 압출기 내에서 시도한 결과 가공조건과 사용되는 스크류의 조합이 블렌드의 물성에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 우선 TPE 구조에서 중요한 동적가교가 일어나기 위해서는 높은 전단력과 스크류 채널내의 체류시간이 길어야 한다.
후속연구
셋째, 자동차에서 발생되는 폐고무의 종류가 많이 있는데, 이중 특히 EPDM 의 웨더스트립 (weather strip) 이 재활용품으로서 주목되고 있고, 환경문제 때문에 고무 소재로부터 열가소성 고무로의 대체가 자동차 회사에서 검토되고 있다. 앞으로 2005년부터 국내에서 유럽으로 자동차를 수출을 할 때 자동차에 제조에 사용되는 고무 재료를 전량 재활용해야한다는 수입규제가 생기게 될 전망이다. 이 문제점을 해결하기 위해 폐고무를 재활용할 수 있는 기술 확보가 시급한 상황이다.
있다. 하지만 현재 상용화되고 있는 TPE 물성의 90~ 95% 정도에 근접하기 위해 여러 실험 조건을 바꾸어 가며 실험을 계속 추진하고 있으며, 머지않아 고가의 TPE 재료를 대체 할만한 새로운 열가소성 재료가 개발될 것으로 기대된다.
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